机电综合课程设计

刖言数控车床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显重要。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩，转速和转角，将电能转化为机械能，实现运动机械的运动要求。本次课程设计是在学完机床课后，进行的一次学习与设计的综合性练习。在本次设计中，我们运用课堂上所学知识，通过分析比较机床主传动中某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件，完成机床主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。通过本次机床课程设计，我们不仅获得了相关设计工作的基本技能的训练，还提高了自身创新实践的能力。1滚珠丝杠螺母副的设计1.1确定滚珠丝杠副的导程V

"p—max

hinmax13000=1X1500=8.66mm取P=10mmhPh：滚珠丝杠副的导程mmVmax:工作台最高移动速度nmax:电机最高转速i：传动比因电机与丝杠直联，i=1V=13m/min,n=1500r/min代入得，P=8.66mmh查表，取P=10mmh1.2确定当量转速与当量载荷1.2.1各种切削方式下，丝杠转速n=L=3??0=380r/minmaxP10n二土二二=0.1r/minminP10

1.2.2各种切削方式下，丝杠轴向载荷F^=4800+0.004X880=4803.52NFmi「0.004X880=3.52N1.2.3当量转速n=nmax：气in=380/1=190.05mm/minm2 21.2.4当量载荷2X4803.52+3.5232X4803.52+3.523=3203.52N1.3预期额定动载荷1.3.1按预期工作时间估算3, FfC「60nmLh祯f・ acCam:预期额定动载荷N按表查得：轻微冲击取fw=1.3fa=1可靠性90%取fc=1已知：L=15000小时h代入得Cam=23117N1.3.2拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：Cam=FeFmax

按表查得： 中预载取f=4.5e代入得Cam=21615N取以上两种结果的最大值Cam=23117N1.4确定允许的最小螺纹底径1.4.1估算丝杠允许的最大轴向变形量°m^（3〜4）重复定位精度°m^（4〜5）定位精度°m:最大轴向变形量Mm已知：重复定位精度6Mm,定位精度12Mm①。=2°=3②。=3取两种结果的小值°「2Mm1.4.2估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式d2=1010FL FL—夭0 =0.039n°E °d2：最小螺纹底径mmL^(1.1〜1.2)行程+(10〜14)P=1.1X380+14X10=558mmh静摩擦力F0=pmg=0.004X88X10=3.52N代入得d=0.039；:3.52严8=1.22mm2m \i 21.5确定滚珠丝杠副的规格代号1.5.1选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式1.5.2由计算出的七匕,人在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD3210-3P=10mm,C=25700>C=23117N,d=27.3mm>d=1.22mmh a am 2 2m1.6确定滚珠丝杠副预紧力1 1Fp=3Fm=3X4803.52=1601.17N1.7行程补偿值与与拉伸力1.7.1行程补偿值C=11.8AtLX10-6式中：LuQ行程+(8〜14)P「380+10X10=480mm△t取2.5°C代入得C=14.16pm1.7.2预拉伸力Ft=1.95^td22=1.95X2.5X27.32=5033N1.8确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格1.8.1轴承所承受的最大轴向载荷FBm=Ft+Fm=5033+4803.52^9836N :1.8.2轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承1.8.3轴承内径d略小于d=27.3mm21TOC\o"1-5"\h\zFBp=3FB=3279N :取d=25mm :1.8.4轴承预紧力预加负荷3300NNFBp=3279N |1.8.5按样本选轴承型号规格选760305TNI轴承d=25mmD=62mmB=17mm1.9滚珠丝杠副工作图设计1.9.1丝杠螺纹长度L:s由表查得余程Le=30L=L+2L=480+2X30=540mm-sue1.9.2两固定支承距离L1L=163+540=703mm1丝杠全长LL=703+75+75=853mm1.9.3行程起点离固定支承距离L0L=L+B=15+15=30mm0 22电机选择2.1参数计算2.1.1功率P=Fv=4800X1360P=Fv=4800X1360=1040W2.1.2负载转动惯量J（kg•m2）及传动系统转动惯量J（kg•m2）的计算- ,n、 _ ,v、J=ZJ(T)2+Zm(j)2lin j2nn式中Jl，ni为各旋转件的转动惯量（kg・m2）和转速（r/min）mj,vj为各直线运动件的质量（kg）和速度（m/min）Jm,气为电机的转动惯量（kg•m2）和转速（r/min）J「11.3kg•cm22.1.3力矩计算空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩TamaxT-amaxJLnmax

9.6t1.13X10-3X15009.6X2=0.09N•M折算到电动机上的摩擦力矩TtFPTFPT=——t2nniX10-3=9zi/qwX10-3=0.00623N.m2X3.14X0.9X1由于丝杠预紧力引起和折算到电动机轴上的附加摩擦力矩T14400X10X(1-0.92)0 2nniX10-3=2X3.14X0.8X1 X10-3=5.0 2nni总力矩T=T+T+T=0.09+0.00623+5.446=5.54N-mmamaxt02.2型号选择根据转动惯量和力矩选择电机型号为120MB150B-0010002.3联轴器选择根据电动机轴径，力矩等因素选择联轴器LK11-68K-22183强度校核3.1丝杠抗压刚度3.1.1丝杠最小抗压刚度d2%=6.6丁X1021TOC\o"1-5"\h\zKsmin:最小抗压刚度N/pm :d2：丝杠底径 ：L1：固定支承距离 ：寸八八27.32 _ /代入得叽=6.61703X102=699N/pm :z 'z '3.1.2丝杠最大抗压刚度Z [Z 'Z [Z 'd2L 27.32X703 ,KSmax=6-6X4L7^X102=6-6X4X30X(703-30)X102=4281N/Pm0 1 0z [z 'z [3.2支承轴承组合刚度z [z 'z [3.2.1一对预紧轴承的组合刚度z [K=2X2.34X3dZ2Fsinsprz [Kbo:一对预紧轴承的组合刚度N/pm :z 'z 'z 'dQ：滚珠直径mm ；z 'z 'z 'Z：滚珠数z 'z 'Famax:最大轴向工作载荷NP:轴承接触角由样本查出760305TN1轴承是F^预加载荷的3倍dQ=7.144,Z=17,p=60°F^=4800X3=14400N/pm代入得、=1145N/pm3.2.2支承轴承组合刚度由两端固定支承Kb=2KBo=2X1145=2290N/pm3.2.3滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度KC:滚珠和滚道的接触刚度N/pmK「：查样本上的刚度N/pm%：滚珠丝杠副预紧力NCa：额定动载荷N由样本查得：K，=772N/pm；C=25700N；F=1601NP

代入得KC=659N/pm3.3刚度验算及精度选择3.3.1验算传动系统刚度11111 1 1 ,商二厂+K+K=699+2290+659=3-38x10-3N/pm【minsminbcKmin=2961 1 1 1 1 1 1K=K +K+K=4281+2290+659=2,1910-3N/pmmaxsmaxbcKmax=457F0=pw1=0.004X88X10=3.52N>1.6F0\n"反向差值已知反向差值或重复定位精度为61.6X3.5261.6X3.526=0.9393.3.2传动系统刚度变化引起的定位误差▼…1 1 1 1、6k=F0（商―厂）=3.52x（顽-商）=4.19x10-3pm- minmax3.3.3确定精度V明：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言TOC\o"1-5"\h\zV30尸0.8X定位精度-、二 '= ■所以，丝杠精度选取2级= ■:= ■3.3.4确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号FFZD公称直径32mm导程10mm螺纹长度540mm丝杠全长853mmP类2级精度即FFZD3210-3-P/853X54023.4验算临界压缩载荷-:-TOC\o"1-5"\h\z丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸力Ft不用验算 ；3.5验算滚珠丝杠副的临界转速n(r/min) :dn=pX107c2z 'z [z '仁与支承形式有关的系数ZZ [Z 'Z 'd2：丝杠底径mm :Z [Z 'Z 'L2：临界转速计算长度mm |Z [Z 'Z '由表得f=21.9Z [Z 'Z [Z 'd=27.3mm2z 'z 'z 'L2=L1-L0=703-30=673mm :z 'z 'z 'z '27.3 、 /代入得n=21.9X--—X107=13200＞气=1500r/min3.6验算DnDp=d2+D=27.3+7.144=34.444mmDn=Dp•气=34.444X1500=51666<70000D:滚珠丝杠副的节圆直径mmn:滚珠丝杠副最高转速r/min3.7基本轴向额定静载荷Coa验算fLxfs一般为1.5C=50.2kN=50200NF^=14400N/pm1.5X14400=21600<502003.8强度计算「r1 、[o]4nd22^F［o］许用应力（N/mm2）取［。］=726N/mm2一2：'4X14400d2“、/3.14X726=5.03mmd=27.3mm 验算合格

4单片机控制硬件系统4.1AT89C51C1或输19■T3'■■U1-XTAL1XTAL?RSTPSENALEEA拉电阻，某1p.0P3.0/RXDP3：5/T1-个引脚被PM.J7RD45O1的输出缓冲级-丈内部上拉电阻把火可服P3.-2/!N!2或输19■T3'■■U1-XTAL1XTAL?RSTPSENALEEA拉电阻，某1p.0P3.0/RXDP3：5/T1-个引脚被PM.J7RD45O1的输出缓冲级-丈内部上拉电阻把火可服P3.-2/!N!2林面F端口二PD.D/ADOPD.1VAD1PD.2/AD2PD.5/AD3PD.4/AD4P0L5MD5PD.&/AD6PD.7/AD7PN。/徊P2.1/A3P2^/A1DP2.^/A11P2.4/AT2P2.5/A13'P2.6/A14P^.7/AT5'呵攵信•:N。平,定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。P3口：是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能端口引脚RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1:振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。

4.2变频器变频器（Variable-frequencyDrive,VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过TOC\o"1-5"\h\z: f改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交: [流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元: i等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需: f要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多: f的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频: f，器也得到了非常广泛的应用。中相2C0VAC3粗200VAC网VAC的诋授受压KivzaJn割就电迥醪I选顼）莎功姥输出1，宾常的出，B扭肃-W-F fi7^中相2C0VAC3粗200VAC网VAC的诋授受压KivzaJn割就电迥醪I选顼）莎功姥输出1，宾常的出，B扭肃-W-F fi7^12

晌电暇器『制期电牌ffli帷元KKid出厦点技;i度如热）XBOFF伽-

^XJX演捽帝*出多典落丸1（正转止当多助毓输入叫反转f停止.；多助陆埼*3（外3钟常i二"[多的荒墙*dt舞常重位）二''W劫般瑞冬5〔多股逸指卖"'多日亩♦入B&讪葛云2广1 — >OAMB北异鬻础，一彳3功荒攻根饷入段机金井南一时JTiftASMi*娘率Al<Q+10VJA2<420mAi蜘SCJ+V■10VOC20mA)旦^筝功能箱出W运行申I

多功能输出之公共墙多劫能械抽抬出概小色共捉醐5日54日54日5通慎*A(-)：4p'"tH：5p图4.23G3MZ变频器外部接线图4.3单片机控制交流电机原理图CR.YST.aM_3-380V变频器SW-SP>KTAL1pnnyfliTi「UIJJJPU.1.W1P0.2/AD2KTAL2P0.3/AD3Plj.4她4P0.5/AD5P0.6/^DtiRSTPD.7/AD7P2.O//S6P2.脚P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.47A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1ZD(DP1.2P3.2/iNTDP1.3P3.3/INTTP1.4P3.4.'TDP1.5P3.5.-T1P1.6P3.6AAiRP1.7P3.7/RD,^TyyC51图4.3系统硬件接线图5单片机控制软件系统5.1软件部分图像描述5.2软件程序MAIN:ORG0000HSUV:CJNEP1.0,0,SUVSETBP0.0SETBP2.7SETBP2.6LCALLDELAYSETBP2.7CLRP2.6LCALLDELAYCLRP2.7CLRP2.6LCALLDEL